Der Large Hadron Collider (LHC) ist ein Wunderwerk der modernen Teilchenphysik, das es Forschern ermöglicht hat, die Tiefen der Realität auszuloten. Seine Ursprünge reichen bis ins Jahr 1977 zurück, als Sir John Adams, der frühere Direktor der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN), vorschlug, einen unterirdischen Tunnel zu bauen, in dem ein Teilchenbeschleuniger untergebracht werden kann, der außerordentlich hohe Energien erreichen kann Geschichtsarbeit 2015 des Physikers Thomas Schörner-Sadenius.
Das Projekt wurde 20 Jahre später, 1997, offiziell genehmigt, und der Bau eines 27 Kilometer langen Rings begann, der unter der französisch-schweizerischen Grenze verlief und Partikel auf eine Lichtgeschwindigkeit von bis zu 99,99 Prozent beschleunigen und zerschlagen konnte zusammen. Innerhalb des Rings führen 9.300 Magnete Pakete geladener Teilchen mit einer Geschwindigkeit von 11.245 Mal pro Sekunde in zwei entgegengesetzte Richtungen und bringen sie schließlich für eine Frontalkollision zusammen. Die Anlage ist in der Lage, pro Sekunde rund 600 Millionen Kollisionen zu erzeugen, die unglaubliche Mengen an Energie und hin und wieder ein exotisches und nie zuvor gesehenes schweres Teilchen ausstoßen. Der LHC arbeitet mit Energien, die 6,5-mal höher sind als der bisherige rekordverdächtige Teilchenbeschleuniger, Fermilabs stillgelegtes Tevatron in den USA.
Der Bau des LHC kostete insgesamt 8 Milliarden US-Dollar, von denen 531 Millionen US-Dollar aus den USA stammten. Mehr als 8.000 Wissenschaftler aus 60 verschiedenen Ländern arbeiten an ihren Experimenten zusammen. Der Beschleuniger schaltete seine Strahlen am 10. September 2008 zum ersten Mal ein und kollidierte mit nur einem Zehnmillionstel seiner ursprünglichen Entwurfsintensität.
Bevor es in Betrieb genommen wurde, befürchteten einige, dass der neue Atomzerstörer die Erde zerstören würde, vielleicht durch die Schaffung eines alles verzehrenden Schwarzen Lochs. Aber jeder seriöse Physiker würde sagen, dass solche Sorgen unbegründet sind.
"Der LHC ist sicher, und jeder Vorschlag, dass er ein Risiko darstellen könnte, ist reine Fiktion", sagte CERN-Generaldirektor Robert Aymar in der Vergangenheit gegenüber LiveScience.
Das heißt nicht, dass die Einrichtung bei unsachgemäßer Verwendung möglicherweise nicht schädlich sein kann. Wenn Sie Ihre Hand in den Strahl stecken würden, der die Energie eines in Bewegung befindlichen Flugzeugträgers auf eine Breite von weniger als einem Millimeter fokussiert, würde er ein Loch durch den Strahl bohren und dann würde die Strahlung im Tunnel Sie töten.
Bahnbrechende Forschung
In den letzten 10 Jahren hat der LHC Atome für seine beiden Hauptexperimente ATLAS und CMS zusammengeschlagen, die ihre Daten separat betreiben und analysieren. Dies soll sicherstellen, dass keine der beiden Kollaborationen die andere beeinflusst und dass jede eine Überprüfung ihres Schwesterexperiments bietet. Die Instrumente haben mehr als 2.000 wissenschaftliche Arbeiten zu vielen Bereichen der grundlegenden Teilchenphysik hervorgebracht.
Am 4. Juli 2012 beobachtete die wissenschaftliche Welt mit angehaltenem Atem, wie Forscher am LHC die Entdeckung des Higgs-Bosons ankündigten, des letzten Puzzleteils in einer fünf Jahrzehnte alten Theorie namens Standardmodell der Physik. Das Standardmodell versucht, alle bekannten Partikel und Kräfte (außer der Schwerkraft) und ihre Wechselwirkungen zu berücksichtigen. Bereits 1964 schrieb der britische Physiker Peter Higgs eine Arbeit über das Teilchen, das jetzt seinen Namen trägt, und erklärte, wie Masse im Universum entsteht.
Das Higgs ist eigentlich ein Feld, das den gesamten Raum durchdringt und jedes Teilchen schleppt, das sich durch es bewegt. Einige Teilchen stapfen langsamer durch das Feld, was ihrer größeren Masse entspricht. Das Higgs-Boson ist eine Manifestation dieses Feldes, dem die Physiker seit einem halben Jahrhundert nachjagen. Der LHC wurde explizit gebaut, um diesen schwer fassbaren Steinbruch endgültig zu erobern. Als Peter Higgs und der belgische theoretische Physiker Francois Englert feststellten, dass die Higgs die 125-fache Masse eines Protons hatten, erhielten sie 2013 den Nobelpreis für die Vorhersage seiner Existenz.
Selbst mit den Higgs in der Hand können sich Physiker nicht ausruhen, da das Standardmodell noch einige Löcher hat. Zum einen geht es nicht um die Schwerkraft, die hauptsächlich von Einsteins Relativitätstheorien abgedeckt wird. Es erklärt auch nicht, warum das Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht, die zu Beginn der Zeit in ungefähr gleichen Mengen hätte entstehen sollen. Und es ist völlig still über dunkle Materie und dunkle Energie, die bei ihrer Entstehung noch nicht entdeckt worden waren.
Bevor der LHC eingeschaltet wurde, hätten viele Forscher gesagt, dass die nächste große Theorie die Supersymmetrie ist, die allen bekannten Partikeln ähnliche, aber viel massivere Zwillingspartner hinzufügt. Einer oder mehrere dieser schweren Partner könnten ein perfekter Kandidat für die Teilchen gewesen sein, aus denen dunkle Materie besteht. Und die Supersymmetrie beginnt, die Schwerkraft in den Griff zu bekommen, was erklärt, warum sie so viel schwächer ist als die anderen drei fundamentalen Kräfte. Vor der Entdeckung der Higgs hatten einige Wissenschaftler gehofft, dass das Boson etwas anders sein würde als vom Standardmodell vorhergesagt, was auf eine neue Physik hindeutet.
Aber als die Higgs auftauchten, war es unglaublich normal, genau in dem Massenbereich, in dem das Standardmodell dies angekündigt hatte. Während dies eine großartige Leistung für das Standardmodell ist, haben die Physiker keine guten Anhaltspunkte mehr. Einige haben begonnen, über die verlorenen Jahrzehnte zu sprechen, in denen sie Theorien verfolgten, die auf dem Papier gut klangen, aber nicht den tatsächlichen Beobachtungen zu entsprechen scheinen. Viele hoffen, dass die nächsten Datenerfassungsläufe des LHC dazu beitragen werden, dieses Durcheinander zu beseitigen.
Der LHC wurde im Dezember 2018 geschlossen, um zwei Jahre lang Upgrades und Reparaturen durchzuführen. Wenn es wieder online geht, kann es Atome mit einem leichten Anstieg der Energie zerschlagen, jedoch mit der doppelten Anzahl von Kollisionen pro Sekunde. Was es dann finden wird, ist jedermanns Vermutung. Es ist bereits die Rede von einem noch leistungsstärkeren Teilchenbeschleuniger als Ersatz, der sich im selben Gebiet befindet, aber viermal so groß wie der LHC ist. Der Bau des enormen Ersatzes könnte 20 Jahre und 27 Milliarden US-Dollar dauern.
